- •060101 65 – Лечебное дело, 060103 65 – Педиатрия, 060105 65 – Стоматология, 060104 65 – Медико-профилактическое дело
- •Тема 1. Поверхностные явления 12
- •Предисловие
- •Введение
- •Тема 1. Поверхностные явления
- •1. Свободная поверхностная энергия, поверхностное натяжение
- •2. Смачивание, адгезия, когезия
- •3. Сорбция и ее виды
- •Абсорбция
- •Адсорбция на подвижной поверхности раздела фаз
- •Адсорбция пав в системе воздух-вода
- •Адсорбция на неподвижной поверхности раздела фаз
- •Молекулярная (неэлектролитов) адсорбция из растворов.
- •Адсорбция ионов из растворов
- •Ионообменная адсорбция
- •Основные физико-химические характеристики ионитов
- •4. Хроматография
- •5. Биологические поверхностно-активные вещества
- •6. Медико-биологическое значение адсорбции
- •Типы сорбентов, использующихся для удаления различных веществ
- •Основные области применения энтеросорбентов
- •Тема 2. Дисперсные системы
- •1. Классификация дисперсных систем
- •Свободно- и связнодисперсные системы
- •Лиофобные и лиофильные дисперсные системы
- •Классификация дс по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды
- •2. Методы получения и очистки дисперсных систем
- •Методы очистки дисперсных систем
- •3. Лиофобные коллоидные растворы
- •Строение мицелл в лиофобных коллоидных растворах
- •Устойчивость лиофобных коллоидных растворов
- •Кинетика коагуляции
- •Механизм коагуляции
- •Пептизация или физико-химическое диспергирование
- •Коллоидная защита и флокуляция
- •4. Лиофильные коллоидные растворы
- •Истинный раствор ((;(( коллоидный раствор.
- •Зависимость области применения пав от значения глб
- •Свойства лиофильных коллоидных растворов пав и вмс
- •Ослабление высаливающего действия
- •Солюбилизация
- •5. Микрогетерогенные дисперсные системы
- •Аэрозоли и их свойства
- •Порошки и их свойства
- •Суспензии и их свойства
- •Эмульсии и их свойства
- •Пены и их свойства
- •Тема 3. Свойства вмс и их растворов
- •Классификация вмс
- •Полимерные полиэлектролиты и их свойства
- •Свойства растворов вмс, общие с истинными растворами:
- •Кислотно-основные свойства белков
- •Значения pI белков живого организма
- •Окислительно-восстановительные свойства белков
- •Комплексообразующие свойства белков
- •Поверхностные свойства белков
- •3. Набухание и растворение вмс
- •4. Вязкость растворов вмс
- •5. Осмотические свойства растворов вмс
- •6. Мембранное равновесие Доннана
- •7. Устойчивость и разрушение растворов вмс
- •8. Застудневание (желатинирование). Возникновение связнодисперсных систем и их свойства
- •Обучающие тесты
- •Обучающие задачи
- •Учебно-исследовательские лабораторные работы
- •Тема I. Поверхностные явления
- •Тема: Адсорбция уксусной кислоты на активированном угле. Качественные опыты по адсорбции и хроматографии
- •Тема: Определение обменной емкости ионита
- •Тема: Изотерма поверхностного натяжения и адсорбции изоамилового спирта на твердом адсорбенте
- •Учебно-исследовательская лабораторная работа № 4 Тема: Изучение адсорбции пав на твердом адсорбенте из водных растворов
- •Тема II. Дисперсные системы
- •Тема: Получение и свойства лиофобных коллоидных растворов
- •Конденсационный метод получения золей (химическая конденсация)
- •II. Дисперсионный метод получения золей.
- •Тема: Устойчивость и коагуляция лиофобных коллоидных растворов. Коллоидная защита
- •Тема: Получение и свойства эмульсий
- •Тема III. Растворы вмс
- •Учебно-исследовательская лабораторная работа №8
- •Тема: Вискозиметрическое определение молекулярной
- •Массы полимера
- •Тема: Набухание вмс
- •Тестовые задания, задачи, упражнения для самостоятельного решения
- •Тема 1. Поверхностные явления
- •Тема II. Дисперсные системы
- •Тема III. Растворы вмс
- •Тестовый контроль по теме: «Поверхностные явления».
- •Тестовый контроль по теме: «Лиофобные коллоидные растворы»
- •Тестовый контроль по теме: «Свойства вмс и их растворов».
- •Темы реферативных докладов для студентов лечебного, педиатрического, стоматологического и медико-профилактического факультетов
- •Список использованной литературы
- •Приложение
- •1. Основные единицы измерения физических величин
- •2. Основные физические постоянные
- •3. Метрическая система мер
- •4. Множители и приставки для образования десятичных кратных и дольных единиц и их обозначения
- •5. Плотность пав в жидком состоянии
- •6. Зависимость поверхностного натяжения воды от температуры
- •7. Поверхностное натяжение жидкостей при 293 k
- •Зависимость адсорбции газов на древесном угле от
- •9. Золотые числа
- •10. Критические концентрации мицеллообразования для некоторых мыл
- •11. Значения констант в уравнении Марка-Хаувинка и омм полимеров
Адсорбция на подвижной поверхности раздела фаз
В соответствии со II законом термодинамики свободная поверхностная энергия жидкостей стремится к минимуму (Gs →min). В чистых жидкостях уменьшение этой энергии может произойти только путем сокращения поверхности. В растворах свободная поверхностная энергия может понижаться или увеличиваться. Понижение свободной поверхностной энергии происходит за счет уменьшения удельного поверхностного натяжения в результате адсорбции растворенного вещества в поверхностном слое жидкости. Адсорбция растворенных веществ на поверхности жидких адсорбентов описывается уравнением Гиббса, отражающим зависимость между концентрацией вещества на единице поверхности раздела фаз и концентрацией его в растворе, которое имеет вид:
Г = , Г =
где Г – величина адсорбции растворенного вещества, измеряемая количеством этого вещества, приходящегося на единицу площади поверхности адсорбента, моль/м2;
с - равновесная молярная концентрация растворенного вещества, моль/л, которая в узких интевалах измерений рассчитывается как средняя величина ;
, – изменение удельного поверхностного натяжения, вызванное изменением концентрации растворенного вещества в поверхностном слое;
R – газовая постоянная, 8,31 Дж/(мольK).
Величина или называется поверхностной активностью, обозначается q, служит характеристикой поведения растворенного вещества при его адсорбции поверхностью раздела фаз. Физический смысл поверхностной активности состоит в том, что она представляет силу, удерживающую молекулы растворенного вещества на поверхности.
Если с увеличением концентрации вещества удельное поверхностное натяжение на границе раздела фаз понижается (2 < 1, < 0), то q 0, и такое вещество называют поверхностно-активным (ПАВ). В этом случае адсорбция положительна (Г > 0). Это означает, что концентрация растворенного вещества в поверхностном слое больше, чем в объеме раствора. Примером ПАВ по отношению к воде являются мыла, фосфолипиды, желчные кислоты, холестерин.
Если с увеличением концентрации вещества удельное поверхностное натяжение на границе раздела фаз повышается (2 > 1, > 0), то q 0 и такое вещество называют поверхностно-инактивным (ПИВ). В этом случае адсорбция отрацательная (Г 0). Отрицательная адсорбция (Г < 0) означает, что концентрация адсорбированного вещества в объеме больше, чем в поверхностном слое раствора. Примером ПИВ по отношению к воде являются неорганические соли, кислоты и щелочи, молекулы или ионы которых взаимодействуют с водой сильнее, чем молекулы воды между собой. Вследствие высокой энергии гидратации молекулы или ионы втягиваются в глубину раствора. Поэтому в растворах сильных электролитов пограничный слой толщиной в несколько молекулярных диаметров состоит преимущественно из молекул воды, а ионы солей содержатся в очень малой концентрации, попадая в поверхностный слой благодаря тепловому движению. Из-за такого состава поверхностного слоя и вследствие усиления полярных свойств системы в целом поверхностное натяжение таких растворов повышается в сравнении с чистым растворителем (рис. 3).
Рис. 3. Зависимость поверхностного натяжения от концентрации ПАВ (а) и ПИВ (б)
Молекулы ПАВ имеют четко выраженное ассиметриченое строение, так как содержат два фрагмента: гидрофобный (неполярный) и гидрофильный (полярный), структура их дифильна. К полярным группам относятся: –SO3Н; –СООН; –NO2; –ОH; –NH2; –SH и др. Они хорошо гидратируются и поэтому гидрофильны. Неполярные фрагменты – углеводородные и ароматические радикалы, которые сольватируются неполярными органическими растворителями. Дифильные молекулы принято изображать в виде «головастика» , в котором «головка» соответствует полярной группе, а «хвост» – гидрофобному фрагменту.
Все поверхностно-активные вещества делится на четыре класса:
Анионактивные ПАВ - это соединения, которые в водных растворах диссоциируют с образованием анионов (отрицательно заряженных ионов), обусловливающих поверхностную активность. На долю анионоактивных из всех производимых ПАВ приходится более 70%. Среди них наибольшее значение имеют алкилбензолсульфонаты натрия, алкилсульфонаты натрия и алкилсульфаты натрия.
Алкилбензолсульфонатами называются соли сульфокислот ароматических соединений, алкилсульфатами – соли сульфоэфиров спиртов и алкилсульфонатами – соли сульфокислот алканов.
R–SO3Na ((;(( R–SO + Na+ первичный алкилсульфонат;
R–ОSO3Na ((;(( R–ОSO + Na+ первичный алкилсульфат;
R, R' – неразветвленные углеводородные радикалы длиной от 10 до 20 атомов углерода.
К атионактивные ПАВ – это соединения, которые в водном растворе диссоциируют с образованием катионов, определяющих поверхностную активность. Одним из представителей катионоактивных ПАВ являются:
Н еионогенные ПАВ – это соединения, которые растворяются в воде, не ионизируясь. Растворимость неионогенных ПАВ в воде обусловливается наличием в них функциональных групп. Как правило, они образуют гидраты в водном растворе вследствие возникновения водородных связей между молекулами воды и атомами кислорода полиэтиленгликолевой части молекулы ПАВ.
К неионогенным ПАВ относятся:
R COO(C2H4O)nH – полигликолевые эфиры жирных кислот; RCONH(C2H40)nH - полигликолевые эфиры амидов жирных кислот.
Кроме указанных имеется множество других неионогенных ПАВ. По объему производства и потребления неионогенные ПАВ стоят на втором месте после анионоактивных; биоразлагаемость их достигает 100%. Они хорошо стабилизируют пены и оказывают благоприятное действие на ткани, меха и кожу.
Амфолитные (амфотерные) ПАВ – это соединения, которые в водных растворах ионизируются и проявляют в зависимости от условий (главным образом от рН среды) свойства и катионных веществ, т. е. в кислом растворе проявляют свойства катионактивных, а в щелочном растворе - анионоактивных поверхностно-активных веществ. Например, к амфотерным ПАВ относятся биобелки.
П АВ находят применение более чем в 100 отраслях народного хозяйства. Большая часть производимых ПАВ используется в составе моющих средств, в проиводстве тканей и изделий на основе синтетических и природных волокон. Амфолитные ПАВ широко применяются в производстве пеномоющих средств и шампуней благодаря их мягкому воздействию на кожу. Водные растворы ПАВ в большей или меньшей концентрации поступают в сточные воды и, в конечном счете, – в водоемы. Очистке сточных вод от ПАВ уделяется большое внимание, т. к. из-за низкой скорости разложения ПАВ вредные результаты их воздействия на природу и живые организмы непредсказуемы. Сточные воды, содержащие продукты гидролиза полифосфатных ПАВ, могут вызвать интенсивный рост растений, что приводит к загрязнению ранее чистых водоемов: по мере отмирания растений начинается их гниение, а вода обедняется кислородом, что в свою очередь ухудшает условия существования др. форм жизни в воде. Среди способов очистки сточных вод в отстойниках - перевод ПАВ в пену, адсорбция активированным углем, использование ионообменных смол, нейтрализация катионактивными веществами и др. Эти методы дороги и недостаточно эффективны, поэтому предпочтительна очистка сточных вод от ПАВ в отстойниках (аэротенках) и в естественных условиях (в водоемах) путем биологического окисления под действием гетеротрофных бактерий (преобладающий род-Pseudomonas), которые входят в состав активного ила.